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La simulation du soudage franchit un pas de plus

Nadège Aumond
La simulation du soudage franchit un pas de plus

Simulation du soudage d'un profil en U à l'aide de Pam-Assembly. À partir d'un modèle local (ci-contre), celui-ci projette les résultats sur un modèle global (ci-dessus).

© D.R.

Longtemps la simulation n'a concerné que le travail en laboratoire. Désormais, ces outils ont atteint une certaine maturité et peuvent être utilisés au niveau industriel.

Récemment, le Cetim a recensé 44 technologies clés pour les industries de la mécanique. Parmi elles, cinq sont jugées particulièrement importantes. La simulation numérique des procédés d'assemblage est l'une de ces "technos super clés". Pourquoi ? Les raisons sont multiples. Il s'agit, d'une part, d'affiner les estimations de résistance mécanique, de l'état des contraintes résiduelles et des déformations pour dimensionner les pièces au plus juste et augmenter la durée de vie des assemblages. Il importe, d'autre part, d'optimiser les procédés en eux-mêmes et d'assurer une meilleure maintenance.

« La simulation numérique réduit le nombre de tests sur maquette physique et permet d'évaluer de nombreuses idées d'amélioration très rapidement », explique Philippe Gilles, expert international en simulation du soudage au sein d'Areva. Cette technique vient en appui pour donner un éclairage. Même s'il ne s'agit, au bout du compte, que d'une simplification de la réalité, les résultats qu'elle fournit sont tout à fait intéressants. Ainsi, « le rendement du soudage au laser a été amélioré de plus de 10 à 20 % grâce à des études de simulation du procédé », signale l'expert.

Côte assemblage mécanique (vissage, frettage, rivetage), l'objectif est de simuler les sollicitations dynamiques et les contraintes dans l'assemblage pour le dimensionner. La tâche est relativement facile car il n'y a qu'un seul phénomène mécanique à modéliser. En soudage, par contre, la simulation est beaucoup plus difficile. Il faut modéliser des phénomènes à la fois thermomécaniques et métallurgiques. Ce qui nécessite des moyens de calcul très sophistiqués. Ici, l'objectif est d'optimiser les paramètres opératoires afin de réduire l'endommagement induit par le procédé et d'estimer la durée de vie de l'assemblage.

« Il existe actuellement plusieurs logiciels, mais la complexité de leur mise en oeuvre les réserve aux experts, le plus souvent au niveau des équipes de R&D, pour réaliser des études de faisabilité », explique Afzali Mansour, responsable dimensionnement, simulation et logiciels au Cetim. Philippe Gilles ajoute : « Les outils existants prennent encore aujourd'hui trop de temps. Il faut compter environ quatre à cinq mois pour une étude. »

Un partenariat non simulé

L'un des challenges du projet Musica est précisément d'accélérer les opérations. Musica est l'un des plus importants projets nationaux sur la simulation du soudage. Ce partenariat entre le CEA, l'éditeur français ESI Group (pour les logiciels Sysweld et Pam-assembly), Areva, le Cetim et, plus récemment, l'Institut de soudure, remonte à l'automne 2005. Ce projet de trois ans a pour but de simuler le procédé de soudage à l'arc dans des temps et des coûts compatibles industriellement tout en étant accessibles à des non-experts. « Le soudage à l'arc représente, en termes de longueur, quelque 98 % des soudures faites aujourd'hui. Il est utilisé dans tous les secteurs de l'industrie », justifie Christian Boucher, senior expert à l'Institut de soudure.

Musica s'appuie sur des logiciels déjà opérationnels. L'idée est d'intégrer l'existant dans une solution plus large offrant de meilleures capacités de prédiction des phénomènes physiques. « Concrètement, il s'agit de chaîner trois modules logiciels, W-Process, Sysweld et Pam-assembly. Ainsi, la simulation se fera du bain fondu jusqu'à la durée de vie ! En partant de la source de chaleur jusqu'aux contraintes résiduelles sous une interface unique », explique Frédéric Boitout, responsable projets au sein d'ESI Group.

L'éditeur de Sysweld et de Pam-assembly en profitera pour enrichir ses versions. Développé il y a vingt-cinq ans à partir du savoir-faire de Framatome, Sysweld est aujourd'hui le seul logiciel capable de prédire les transformations métallurgiques dans la zone affectée thermiquement (zat). Pam-assembly, dont la première version a été lancée en 2005, prédit pour sa part les déformations d'un assemblage soudé complet. Il exploite les calculs issus de Sysweld et les projette sur un modèle global. Les améliorations porteront essentiellement sur le maillage, la visualisation des résultats et l'ajout de modèles spécifiques au soudage multipasse.

Seront également prises en compte les conditions aux limites représentatives de la structure réelle pour les traitements des modèles locaux dans le but d'améliorer la qualité des résultats. Par ailleurs, Pam-assembly prendra en compte, dès l'année prochaine, l'emboutissage, et intégrera également les défauts initiaux des pièces.

Mais la vraie nouveauté est l'intégration du module W-Process développé par le CEA, pour automatiser l'étape d'identification des paramètres de la source de chaleur. Jusqu'ici, il faut l'identifier manuellement, ce qui exige un vrai savoir-faire métier pour convertir des données opératoires (puissance, vitesse...) en paramètres descriptifs des sources de chaleur.

Résoudre la physique élément par élément

L'intérêt de simuler l'arc est de pouvoir évaluer finement la perte d'énergie transmise à la pièce en chaleur. Car si l'on connaît sa tension et son intensité, par exemple, la chaleur réellement apportée pour fondre le métal est encore aujourd'hui quantifiée de façon empirique.

Or, c'est une donnée qui peut être très sensible pour l'évaluation des distorsions dans les pièces minces. Les variations de la vitesse d'avance ou de la hauteur de vol (distance arc-pièce), inévitables lors d'un soudage manuel, modifient l'apport de chaleur. D'autres paramètres accessibles uniquement par la simulation de la fusion influent également sur la forme du bain. « Il sera très intéressant de voir précisément comment et de combien ! » souligne Philippe Gilles. Pour résoudre la physique élément par élément, W-Process fait appel au solveur Cast3m, code de calcul semi-industriel, développé également par le CEA.

Au-delà d'une simple suite logicielle

En juin dernier, un démonstrateur du chaînage des trois logiciels a été présenté avec succès. Désormais, l'équipe coordonnée par André Fontes, chef projets au CEA, s'attache, jusqu'à l'été 2007, à valider la solution par l'application à trois cas concrets fournis par les partenaires industriels. « Ces cas tests complexes et typiques sont très intéressants pour nous. L'intégration de l'expérience de cas industriels représentatifs rendra l'outil opérationnel et validé dès la première version », explique Frédéric Boitout.

Enfin, le projet, qui se veut plus large que le développement d'une suite logicielle, a aussi pour ambition, non seulement de capitaliser le savoir-faire acquis, au travers de l'édition d'un guide méthodologique, mais aussi de s'attacher à mettre sur pied un réseau de recherche nationale sur le sujet de la simulation du soudage.

Prochaine étape, estime déjà l'expert d'Areva, la modélisation du processus d'endommagement et la prédiction des risques d'apparition des défauts à l'échelle industrielle. Mais cela, pas avant dix ou quinze ans !

LES PRINICIPAUX LOGICIELS...

Modules développés sous des logiciels génériques : - Abaqus de Dassault Systèmes, - Ansys de l'éditeur éponyme, - Marc de Marc Analysis Research, - Comsol Multiphysics de Comsol. Ces modules viennent en plug-in des logiciels de CAO généraux.

AREVA VALIDE LE PROJET MUSICA

- Dans le cadre de sa participation au projet de recherche Musica, l'un des plus importants à l'échelle nationale sur la simulation du soudage, Areva fournit un des trois cas tests qui serviront à valider les outils logiciels qui en seront issus. Le spécialiste de l'énergie propose un cas tridimensionnel difficile à simuler, mais pour lequel il souhaite améliorer le procédé de soudage qui est actuellement péniblement réalisé manuellement. Il s'agit du soudage des piquages de tubes (30 à 40) dans le dôme des cuves des centrales à eau pressurisée. Autrement dit, du soudage de cylindres traversant un couvercle bombé. « Notre objectif est de pouvoir comparer l'opération manuelle et l'opération automatisée. D'abord comment l'automatiser, et puis comment procéder pour réduire significativement les distorsions ? Quelles seront les contraintes résiduelles induites par le soudage dans et autour de cette soudure ? » explique Philippe Gilles, expert international en simulation du soudage chez Areva. Ce dernier, très confiant, estime que Musica apportera des réponses très intéressantes dès l'année prochaine !

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